微电网内部故障数据采集及吗模拟显示系统

第一章 绪论
1.1研究背景——微电网的相关概念
随着经济的发展，民众对电力的需求越来越大，而传统电力设备投资集中在火力、水力、核能等大型集中式电源以及远距离超高压输电线路的建设上，因此，形成了以大机组、大电网和高电压为主要特征的集中式单一供电系统，目前，全世界90%的电力负载是由这种单一的大电网供电的。然而，集中式打点我也存在着一些弊端：成本高，运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性要求。尤其是近十年来，世界范围内接连发生几次大面积停电事故以后，大电网的脆弱性充分地暴露了出来。另一方面，随着现今社会对能源需求的增加，可供利用的煤炭、石油等石化能源越来越少，而且诸如煤炭、石油、核能等在发电过程中都会对环境造成严重污染。在越来越关注生态环境的保护以及能源的可持续发展下，为保护环境，避免能源危机，开发再生能源就成了新兴的研究课题。
因此，人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。2003年北美大停电以后，国际上的专家们得出了一个结论——发展分布式电源比通过改造电网来加强安全更加简便和快捷。我国2008年初的雪灾教训也说明在继续发展集中式大机组的同时，要注重在负荷中心建设足够的分布式电源，以在出现非常规灾害或者战时攻击情况下，保证居民最小能源供应和最基本生活条件，并将这种电源作为保障电网安全的重要设施和手段。而微电网就是将额定功率为几十千瓦的发电单元——微元MS、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。基于微电网结构的电网调整能够方便大规模的分布式能源（DER）互联并接入中低压配电系统，提供了一种充分利用DER发电单元的机制。
微电网中包含有风电、光伏发电、燃料电池发电、小水电、汽轮机发电、柴油机发电等分布式电源。其中太阳能、风能、地热能等可再生能源具有分布性、多样性、利用这些能源的发电技术多是各种小容量、分布式布置的发电技术。光伏发电系统提供薄膜、晶硅等多种光伏组件类型的系统优化设计方案。光伏系统构成由太阳能电池组件，控制器逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备，蓄电池或其它储能和辅助发电设备所组成。风力发电系统提供多种型号的风力发电机组设计方案。风电系统构成由三相永磁直驱同步风力发电机，并网控制器、卸荷器，并网逆变器及配电系统组成。储能单元既能向负荷供电，又能作为复合吸收电源发出的电能，因此作为微电网系统的调节和支撑部分，具有十分重要的意义。储能系统构成由储能电池；电池管理、双向逆变器、计算机监控等电力电子设备。
与传统的集中式能源系统相比，微电网接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或者超高压输电，可以减少线损，节省输配电建设投资和运行费用；由于兼具发电、供热、制冷等多种服务功能，分布式电源可以有效地实现能源的梯级利用，达到更高的能源综合利用效率。微电网能以非集中程度更高的方式协调分布式电源，因而可以减轻电网控制的负担并能够完全发挥分布式电源的优势。
可以说，微电网具有双重角色，对于电力企业，微电网可视为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内作出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户的多样化的需求。有人预测，微电网可以成为未来电力系统的一种结构，可作为输电网、配电网之后的第三级电网；相比目前的大电网，这种结构具有显著的经济和环境效益。通过建立微电网可以使得分布式发电应用于电力系统并发挥其最大潜能。
微电网及分布式电源虽然主要与配电网联系，但对整个电力系统的影响却将是巨大而深远的。对发电、输电系统的影响在于，对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少。对配电系统的影响在于，配电系统将发生根本性的变化，即配电系统将从一个辐射式的网络变成一个遍布电源和用户互联的网络，配电系统的控制和管理将变得更加复杂，配电变电站将变成“有源变电站”。对整个电力行业的影响在于，微电网及DG的普及将对电力市场的走向和格局产生深远影响。
1.2微电网的保护及研究现状
1.2.1 微电网保护概述
微电网的保护与传统保护方式有着根本上的不同【】：
（1） 因为分布式电源的存在，造成了不同方向的电力潮流，若仅使用传统无方向性元件的过电流元件时，可能造成保护误动作，如图1所示；
（2） 微电网在并网和独立运行两种情况下，由于馈线上分布着多个分布式发电系统，短路电流大小有很大不同。
将微电网接入传统电网时会遇到许多问题。例如，究竟应该在什么情况下隔离微电网？当微电网独立于供电公司主电网运行时，如何在发生故障时为微电网提供足够协调一致的保护？有多个“孤岛”微电网同时运行时如何作出正确选择以避免不必要的跳闸？如何作出正确选择以避免未检测到的故障或避免延时跳闸？
因此，如何在两种运行状态下，对微电网内部故障作出响应以及在并网情况下快速感知主网的故障，同时保证保护的选择性、快速性、可靠性与灵敏性，是微电网保护技术的关键和难点。在独立运行时，微电网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的两倍或更小，传统的电流保护装置已不能作出正常响应或是需要几十秒才能作出反应，这已经无法满足微电网的保护的要求，因此需要采用更为先进的故障诊断方式。目前，针对单相接地故障与线间故障，有专家提出了对称电流分量监测的保护策略。该方法可以以超过一定阀值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，与传统过电流保护相结合，取得了良好的效果。对于微电网主动孤岛运行的情况，有专家提出了利用三相电压源变流器进行主动式孤岛检测技术。通过对d轴注入信号能调节电压的幅值，但是这种方法会对系统造成频率偏移。
发电机和负荷类型、容量对于保护的深刻影响，各种类型分布式发电系统（传统小型发电机与基于换流器的微型电源）、储能元件对保护的影响，以及微电网在两种不同运行方式和不同拓扑网架结构下对于保护的影响等问题均是未来微电网保护策略中值得研究的问题。
三、方向性电流保护与功率方向继电器
如前所述，分布式电源接入配电网系统后会出现保护选择性和可靠性得不到满足的情况。对误动作的保护进行分析可知，误动作的原因是由大电源一侧或分布电源一侧供给的短路电流引起的。此时误动作保护的实际短路功率方向是由线路流向母线。因此，为了消除双侧电源或多侧电源中三段式电流保护的无选择动作，需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件。该元件应能实现如下功能：短路电流方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；而当短路电流方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护。按照上述原理构成的保护就是方向性电流保护，每个保护的规定动作方向（也称为规定正方向）都是指短路功率（或短路电流）由母线流向线路的方向，如图6.6所示。
方向过电流保护的单相原理接线图如图6.7所示，主要由方向元件（即功率方向继电器）、电流元件（即电流继电器）和时间元件（即时间继电器）组成。方向元件和电流元件必须都动作以后，才能去启动时间元件，再经过预定的延时动作后动作于跳闸。为了简化接线，同一断路器对应的三段保护可公用一个方向元件。
故障的方向可以利用短路功率的方向判断，而短路功率的方向又取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。因此，功率方向继电器的基本原理就是反应于加入继电器中的电流和电压的相位而动作。研究表明，用于反应相间短路的功率方向继电器在加入其上电压超前电流的夹角为φ（φ为规定正方向上从母线至故障点之间的线路阻抗角）时应该动作，而电压超前电流的夹角为180°+φ时不应动作。因此，利用判别短路功率的方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器。由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。
对继电保护中方向继电器的基本要求为以下两点。
（1）应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻的情况）时，能可靠动作；而在反方向故障时，可靠不动作。
（2）故障时继电器的动作有足够的灵敏度。一般的功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电器的最大灵敏角。为了在最常见的短路情况下使继电器动作最灵敏，采用上述接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角φ。又为了保证正方向故障，而φ在0°~90°范围内变化时，继电器都能可靠动作，继电器动作的角度范围通常取为±90°。
6.1.3微电网孤网运行时的保护策略
微电网通常可以工作在孤网运行模式和并网运行模式，微电网的保护装置应该能处理两种模式下的各种类型的故障。当微电网系统内部包含使用固态换流器将直流转换成交流的微型电源（如光伏电池、燃料电池等）或基于逆变器的微型电源时，这对微电网系统的保护是个挑战。当微电网进入孤网运行状态时，故障电流仅由微型电源提供，因为固态换流器或逆变器的存在，故障电流值相对较小，不足以按传统过电流整定的保护装置动作。
针对上述问题，国外学着提出不同的解决方法。参考文献14使用傅里叶变换和总谐波畸变率方法，针对逆变器输出电压的谐波含量，提出适用于微电网特定保护区域内、外部的保护策略；参考文献8提出适用于含电力电子接口的微电网的故障快速检测方法，其主要原理就是通过检测微型电源输出电压的扰动情况，判断是否出现故障，并区别是何类型的故障。下面详细论述这种方法。
首先，使用标准电压互感器检测三相端电压，继电器将加入的abc三相静止坐标系下的分量转换成dq两相旋转坐标下的分量，转换公式为
通过观察U信号的扰动来检测故障。该信号将于一个周期性更新的参考信号U相比较，得到扰动电压U，U经过过滤，确保该扰动电压并不是因为测量系统的噪声引起的毛刺。过滤后的U信号送入两重迟滞比较器，其上下限决定了故障检测的灵敏度。扰动电动U的计算公式为
正常情况下，U为0或者接近为0。在一般系统中，换流器的端电压都会有些变化，这可以由不断更新的U自动适应。在故障状态下，U会有相当大的变化，而且这种变化会随故障类型的不同而产生很大的不同。对于三相故障，U为一个稳定的直流信号；对于两相故障，U由一个直流电压和摆动信号组成；对于单相接地故障，U为一个从0变换到最大值的摆动信号。上述两处的摆动信号的频率都是系统频率的2倍。这些特性可以用来区别不同类型的故障。
通过对微电网系统各种情况下（包括正常情况和各种类型故障情况）的运行仿真，得出各种运行情况下的U的门槛电压值，通过实际系统中U的值与门槛电压值比较，就能检测是否有故障发生以及发生的是何种类型的故障。因此，U信号可以用来检测扰动开始和结束的时间，并表明不同故障的类型，具体保护策略流程图如图6.8所示。